EP1972107B1 - Schutz- oder leittechnikgerät - Google Patents
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- G01R31/282—Testing of electronic circuits specially adapted for particular applications not provided for elsewhere
- G01R31/2827—Testing of electronic protection circuits
Definitions
- a cut-through method is understood to mean a method in which incoming data on an Ethernet switch is forwarded without intermediate storage, if these are not intended for the device module connected to the respective switch.
- the Ethernet switches are formed by an FPGA or ASIC device; Such components enable low production costs.
- the operation of the Ethernet ring 70 according to FIG. 1 corresponds to the usual Ethernet standard, so that reference can be made in this regard to the relevant specialist literature.
- the Ethernet ring 70 operates, for example, with a data rate of one gigabit / sec and particularly preferably according to the Profinet standard i-RTE.
- the 3-port switches 80 are each designed such that they operate according to the so-called cut-through method. This means that data; which are transmitted via the ring, are forwarded without caching directly, if they are not intended for their own device module; Such immediate forwarding without caching requires swift processing of the incoming data, since the 3-port switches must check in real time which of the incoming data are relevant to their own device-internal device module and which are not.
- the ring loop closing the Ethernet ring 70, which is located in the FIG. 1 is denoted by the reference numeral 200 may be integrated, for example, in the DIN rail 100. This is schematically indicated by a dashed line at 200 in FIG FIG. 2 indicated.
- the device 300 provides a plurality of ports A300 formed by the data ports S80 of the Ethernet switches 80. To each of these ports A300, a device module may be connected to connect to the monolithically integrated Ethernet ring 70.
- the component 300 thus enables a spatially star-shaped connection of a plurality of device modules to the module 300, wherein the connected device modules are electrically connected to each other via the integrated Ethernet ring 70 in an "annular" data connection.
- the Indian FIG. 3 shown monolithically integrated module 300 may, for example, for the protection or control device 10 according to FIG. 1 be used.
- the main CPU 20 and the device-internal device modules 30 to 60 are each connected to one of the ports A300 of the device 300.
- a microprocessor or a CPU 400 may additionally be integrated, as the FIG. 3 exemplifies.
- the CPU 400 may use the main CPU 20 according to the FIG. 1 form.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Schutz- oder Leittechnikgerät für eine Energieversorgungsanlage, wobei das Schutz- oder Leittechnikgerät (10) eine Mehrzahl an geräteinternen Gerätemodulen umfasst, die zum Zwecke eines Datenaustausches miteinander in Verbindung stehen.
- Geräte auf dem Gebiet der digitalen Schaltanlagenleit- und Schutztechnik werden vorzugsweise mit einer modularen Hardwareplattform ausgestattet, damit sie hinsichtlich des Ausbau- und Funktionsgrades einfach und kostenoptimiert an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können. Solche Anforderungen bestehen beispielsweise in der Art und der Leistungsfähigkeit von Kommunikationsschnittstellen, der Anzahl binärer Ein- und Ausgänge sowie der Funktionsdichte und Leistungsfähigkeit des Gerätes. Die Plattformeigenschaften der Schutz- und Leittechnikgeräte werden derzeit auf Hardwareseite durch einen internen Gerätebus bereitgestellt. In diesem Zusammenhang bekannt sind beispielsweise die Schutzgeräte der Firma SIEMENS AG, die unter dem Produktnamen SIPROTEC vertrieben werden und mit einem parallelen Adress-, Daten- und Steuerbus ausgestattet ist.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schutz- bzw. Leittechnikgerät anzugeben, das einen modularen Aufbau aufweist und es ermöglicht, bei Bedarf einfach und kostengünstig Gerätemodule auszutauschen oder zusätzliche Gerätemodule in das Gerät einzusetzen; dennoch soll ein sehr hoher Grad an Datensicherheit innerhalb des Schutz- bzw. Leittechnikgerätes gewährleistet werden.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Schutz- oder Leittechnikgerät (10) ferner eine Mehrzahl an Ethernet-Schaltern (80) und einen geräteinternen Ethernet-Ring (70) umfasst, wobei die geräteinternen Gerätemodule jeweils über einen Ethernet-Schalter - nachfolgend auch Ethernet-Switch genannt - mit dem geräteinternen Ethernet-Ring in Verbindung stehen und dazu ausgebildet sind, über diesen ihre Daten auszutauschen.
- Ethernet-Switches als solche sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielhaft wird auf die
US 2005/0254490 A1 hingewiesen, die einen Ethernet-Switch offenbart, der Netzwerk-Überwachungsgeräten, wie z.B. einem sogenannten "Intrusion Detection System" (= Eindringlingserkennungssystem), Zugriff auf große Teile des Netzwerks erlaubt. - Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Schutz- bzw. Leittechnikgeräts ist darin zu sehen, dass dieses bezüglich der geräteinternen Modulverbindung auf die bekannte Ethernet-Technik zurückgreift; dies ermöglicht es, allgemein zugängliche und ausgereifte Treiberkomponenten einzusetzen.
- Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Schutz- bzw. Leittechnikgeräts ist darin zu sehen, dass dieses aufgrund des vorhandenen geräteinternen Ethernet-Rings eine sehr hohe Datensicherheit gewährleistet, denn aufgrund der Ringstruktur ist eine Redundanz vorhanden: Wird nämlich der Ethernetring an einer Stelle absichtlich oder unabsichtlich unterbrochen, so bleibt die Datenverbindung zwischen den an den Ring angeschlossenen Gerätemodulen dennoch erhalten, da der Ring eine Datenübertragung um die Unterbrechungsstelle herum ermöglicht.
- Besonders kostengünstig und damit vorteilhaft lässt sich ein Schutz- oder Leittechnikgerät mit einem Ethernet-Ring ausstatten, wenn als Ethernet-Schalter 3-Port-Schalter eingesetzt werden, wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 60 806 A1 beschrieben sind. Bevorzugt werden die 3-Port-Schalter durch monolithisch integrierte Komponenten, insbesondere in FPGA oder ASIC-Bauweise, gebildet. - Im Hinblick darauf, dass in Schutz- und Leittechnikgeräten zeitkritische Daten verarbeitet werden, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Ethernet-Ring echtzeitfähig ausgestaltet ist. Der Ethernet-Ring kann beispielsweise gemäß der bekannten Profinet-Norm "i-RTE" arbeiten.
- Mit Blick auf eine maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Ethernet-Schalter im sogenannten "Cut-Through"-Verfahren arbeiten. Ein solches Verfahren wird in der Fachliteratur auch als "Cut-Through-Routing" bezeichnet. Unter einem Cut-Through-Verfahren ist ein Verfahren zu verstehen, bei dem an einem Ethernet-Switch ankommende Daten ohne Zwischenspeicherung weitergeleitet werden, wenn diese nicht für das an den jeweiligen Switch angeschlossene Gerätemodul bestimmt sind.
- Um einen besonders einfachen mechanischen Aufbau des Schutz- bzw. Leittechnikgeräts zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Gerätemodule an einer sogenannten Hutschiene, wie sie beispielsweise von Sicherungskästen und dergleichen bekannt ist, befestigt werden; eine solche Hutschiene ermöglicht es, auf sehr einfache Weise nachträglich Gerätemodule in den Ethernet-Ring zu integrieren, indem die auf der Hutschiene befindlichen Gerätemodule an der gewünschten Einkoppelstelle auseinandergeschoben werden oder indem das zusätzliche Gerätemodul am äußeren Rand der Hutschiene aufgebracht und mit den übrigen Gerätemodulen an den Ethernet-Ring angeschlossen wird.
- Vorzugsweise werden die Ethernet-Schalter durch einen FPGA- oder ASIC-Baustein gebildet; derartige Bausteine ermöglichen geringe Herstellungskosten.
- Im Hinblick auf besonders geringe Herstellungskosten wird es als vorteilhaft angesehen, wenn zwei oder mehr Ethernet-Schalter in ein und demselben monolithisch integrierten Baustein, beispielsweise einem FPGA- oder ASIC-Baustein, integriert werden und einen vollständig integrierten Ethernet-Ring bilden. In einem solchen Fall wird eine Datenübertragung in sehr einfacher Weise dadurch ermöglicht, dass die geräteinternen Module von außen an den monolithisch integrierten Baustein angeschlossen werden; die ringbezogene Datenübertragung erfolgt dann innerhalb des monolithisch integrierten Bausteins.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen beispielhaft
- Figur 1
- ein Ausführungsbeispiel für ein Schutz- oder Leit- technikgerät mit einem integrierten Switch-Ether- net-Ring,
- Figur 2
- ein Ausführungsbeispiel für den mechanischen Aufbau des Geräts gemäß
Figur 1 und - Figur 3
- ein Ausführungsbeispiel für einen für das Gerät ge- mäß
Figur 1 geeigneten Baustein, in dem ein kom- pletter Ethernet-Ring monolithisch integriert ist. - In der
Figur 1 erkennt man ein Schutz- bzw. Leittechnikgerät' 10 - nachfolgend kurz Schutzgerät 10 genannt -, das mit einer Haupt-CPU 20 sowie weiteren geräteinternen Gerätemodulen, und zwar einem Binäreingabemodul 30, einem Kommunikationsmodul 40, einem Messwertmodul 50 sowie einem Befehlsmodul 60 ausgestattet ist. - Die Haupt-CPU 20 sowie die vier geräteinternen Gerätemodule sind über einen echtzeitfähigen Switch-Ethernet-Ring 70 miteinander verbunden. Der Anschluss der Haupt-CPU 20 sowie der vier geräteinternen Gerätemodule 30, 40, 50 und 60 an den Ethernet-Ring 70 erfolgt jeweils über einen Ethernet-Schalter bzw. Ethernet-Switch 80. Wie sich der
Figur 1 entnehmen lässt, ist jeder Ethernet-Switch 80 jeweils durch einen 3-Port-Schalter gebildet. Der interne Aufbau der 3-Port-Schalter kann beispielsweise dem Aufbau entsprechen, wie er in der OffenlegungsschriftDE 102 60 806 A1 beschrieben ist. - Die 3-Port-Schalter 80 weisen - wie der Name andeutet - jeweils drei Anschlüsse auf. Zwei der Anschlüsse sind mit dem Bezugszeichen A80 gekennzeichnet und dienen dazu, die Ringstruktur des Ethernet-Ringes zu realisieren. Der dritte Anschluss S80 ermöglicht es, ein geräteinternes Gerätemodul oder auch die Haupt-CPU 20 an den Ethernet-Ring 70 anzuschließen; der dritte Anschluss S80 kann beispielsweise ein Interface nach dem MII-Standard bilden.
- Die Funktionsweise des Ethernet-Rings 70 gemäß
Figur 1 entspricht dem üblichen Ethernet-Standard, so dass diesbezüglich auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen werden kann. Der Ethernet-Ring 70 arbeitet beispielsweise mit einer Datenrate von einem Gigabit/sec sowie besonders bevorzugt nach der Profinet-Norm i-RTE. - Um eine hohe Datengeschwindigkeit zu erreichen, sind die 3-Port-Schalter 80 jeweils derart ausgestaltet, dass sie nach dem sogenannten Cut-Through-Verfahren arbeiten. Dies bedeutet, dass Daten; die über den Ring übertragen werden, ohne eine Zwischenspeicherung unmittelbar weitergeleitet werden, wenn diese nicht für das jeweils eigene Gerätemodul bestimmt sind; eine solche unmittelbare Weiterleitung ohne Zwischenspeicherung erfordert eine zügige Bearbeitung der eingehenden Daten, da die 3-Port-Schalter in Echtzeit überprüfen müssen, welche der eingehenden Daten für das eigene geräteinterne Gerätemodul relevant sind und welche nicht.
- In der
Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel für den mechanischen Aufbau des Schutzgeräts 10 gemäßFigur 1 gezeigt. Man erkennt eine Hutschiene 100, auf der die Gerätemodule 30, 40, 50, und 60 sowie die Haupt-CPU 20 aufgesteckt sind. An jedem der Gerätemodule sowie der Haupt-CPU 20 sind seitlich jeweils zwei Netzwerkanschlüsse L110 und R110 angebracht. Der in derFigur 2 jeweils linke Netzwerkanschluss ist mit dem Bezugszeichen L110 und der in derFigur 2 rechte Netzwerkanschluss jeweils mit dem Bezugszeichen R110 bezeichnet. - Nachdem die Gerätemodule auf der Hutschiene 100 aufgesteckt worden sind, werden diese entlang der Längsrichtung Z der Hutschiene 100 so zusammengeschoben, dass die Netzwerkanschlüsse L110/R110 untereinander in Kontakt - optisch oder elektrisch - kommen und der Ethernet-Ring 70 gemäß
Figur 1 geschlossen wird. Konkret wird beispielsweise der rechte Netzwerkanschluss R110 des Binäreingabemoduls 30 mit dem linken Netzwerkanschluss L110 des Kommunikationsmoduls 40 zusammengesteckt. In entsprechender Weise erfolgt ein Zusammenstecken aller Gerätemodule 30 bis 60 auf der Hutschiene 100. Auch die Haupt-CPU 20 kann in entsprechender Weise auf die Hutschiene 100 aufgesteckt und mit den geräteinternen Modulen 30 und 60 in Verbindung gebracht werden. - Die den Ethernet-Ring 70 schließende Ringleitung, die in der
Figur 1 mit dem Bezugszeichen 200 gekennzeichnet ist, kann beispielsweise in der Hutschiene 100 integriert sein. Dies ist schematisch durch eine gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen 200 in derFigur 2 angedeutet. - Wie in der
Figur 2 außerdem gezeigt ist, können die geräteinternen Gerätemodule jeweils durch eine Leiterplatte 210 gebildet sein, auf der eine oder mehrere elektronische Komponenten 220 wie beispielsweise Mikroprozessoranordnungen oder dergleichen vorhanden sind. - In der
Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel für ein integriertes elektronisches Bauelement 300 gezeigt, bei dem es sich beispielsweise um einen FPGA- oder ASIC-Baustein handeln kann. In dem Bauelement 300 ist ein Ethernet-Ring 70 monolithisch integriert. Auch die an den Ethernet-Ring 70 angeschlossenen Ethernet-Schalter (Ethernet Switch) 80, bei denen es sich beispielsweise um 3-Port-Schalter handelt, sind in dem Bauelement 300 monolithisch integriert. - Nach außen stellt das Bauelement 300 eine Vielzahl an Anschlüssen A300 zur Verfügung, die durch die Datenanschlüsse S80 der Ethernet-Schalter 80 gebildet sind. An diese Anschlüsse A300 kann jeweils ein Gerätemodul angeschlossen werden, um eine Verbindung zu dem monolithisch integrierten Ethernet-Ring 70 herzustellen. Das Bauelement 300 ermöglicht somit einen räumlich sternförmigen Anschluss mehrerer Gerätemodule an den Baustein 300, wobei die angeschlossenen Gerätemodule über den integrierten Ethernet-Ring 70 miteinander elektrisch in einer "ringförmigen" Datenverbindung stehen.
- Der in der
Figur 3 dargestellte monolithisch integrierte Baustein 300 kann beispielsweise für das Schutz- bzw. Leittechnikgerät 10 gemäßFigur 1 eingesetzt werden. In diesem Fall werden die Haupt-CPU 20 sowie die geräteinternen Gerätemodule 30 bis 60 jeweils an einen der Anschlüsse A300 des Bausteins 300 angeschlossen. - In dem Baustein 300 kann beispielsweise zusätzlich auch ein Mikroprozessor bzw. eine CPU 400 integriert sein, wie dies die
Figur 3 beispielhaft zeigt. Die CPU 400 kann beispielsweise die Haupt-CPU 20 gemäß derFigur 1 bilden.
Claims (8)
- Schutz- oder Leittechnikgerät (10) für eine Energieversorgungsanlage, wobei das Schutz- oder Leittechnikgerät (10) eine Mehrzahl an geräteinternen Gerätemodulen (30, 40, 50, 60) umfasst, die zum Zwecke eines Datenaustausches miteinander in Verbindung stehen,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schutz- oder Leittechnikgerät (10) ferner eine Mehrzahl an Ethernet-Schaltern (80) und einen geräteinternen Ethernet-Ring (70) umfasst, wobei
die geräteinternen Gerätemodule (30, 40, 50, 60) jeweils über einen Ethernet-Schalter (80) mit dem geräteinternen Ethernet-Ring (70) in Verbindung stehen und dazu ausgebildet sind, über diesen ihre Daten auszutauschen. - Schutz- oder Leittechnikgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest einer der Ethernet-Schalter, vorzugsweise alle Ethernet-Schalter, durch einen 3-Port-Schalter (80) gebildet sind. - Schutz- oder Leittechnikgerät nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ethernet-Ring (70) echtzeitfähig ist. - Schutz- oder Leittechnikgerät nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ethernet-Ring (70) gemäß Profinet-Norm i-RTE arbeitet. - Schutz- oder Leittechnikgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ethernet-Schalter (80) im Cut-Through-Verfahren arbeiten. - Schutz- oder Leittechnikgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gerätemodule an einer Hutschiene (100) befestigt sind. - Schutz- oder Leittechnikgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest einer der Ethernet-Schalter durch einen monolithisch integrierten Baustein, insbesondere einen FPGA- oder ASIC-Baustein, gebildet ist. - Schutz- oder Leittechnikgerät nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei oder mehr der Ethernet-Schalter (80) in ein und demselben monolithisch integrierten Baustein (300) integriert sind und einen integrierten Ethernet-Ring (70), zumindest einen Teil eines solchen Rings, bilden.
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